一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法技术

本发明专利技术是一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法，分为预插补和实时样条插补两个阶段。预处理阶段对要加工的路径进行快速插补，记录关键信息，并计算出每个加减速段的三角函数速度方程；实时样条插补阶段首先根据预处理阶段记录的信息和速度方程，计算出刀具的实时进给速度，然后采用牛顿迭代法实时计算实时下一个插补参数，进行实时样条插补。本发明专利技术方法控制简单，不仅实现了加工过程中的速度、加速度和加加速度的连续变化，而且可以减小进给速度波动，从而能够保证加工精度，缓解高速加工产生的过冲，实现对伺服轴的柔性的加减速控制，适用于高质量加工。

Trigonometric function acceleration and deceleration control method for high quality machining

The invention relates to a trigonometric function acceleration and deceleration control method for high quality machining, which is divided into two stages: pre interpolation and real-time spline interpolation. The preprocessing stage for fast interpolation on the path to the processing, record key information, and calculate the trigonometric function equation of each section of the speed acceleration deceleration; real-time spline interpolation stage according to the information and speed equation of preprocessing stage records, calculate the real-time tool feed speed, then the Newton iterative method is used in real-time computing in real-time a real-time parameter interpolation, spline interpolation. The method of the invention has the advantages of simple control, not only to achieve the continuous changes in processing speed, acceleration and jerk, and can reduce the feed rate fluctuations, which can ensure the processing precision, alleviate the overshoot resulting in high speed machining, deceleration control of servo axis flexible, suitable for high quality processing.

【技术实现步骤摘要】
一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法
本专利技术涉及数控加工
，具体的说是一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法。
技术介绍
数控技术是现代先进制造技术的基础和核心，在很大程度上反映了一个国家的制造技术水平，是衡量工业现代化的一个重要标志。实现高速加工和高精加工是数控系统的两个重要目标。加工的速度直接关系到加工的效率，而加工精度则直接影响到加工质量。随着现代科学技术与生产的发展，机械加工与测量领域提出了越来越高的速度和精度要求。高速度、高精度、高质量的数控加工对数控系统的计算能力和控制能力提出了更高的要求，主要表现在两个方面：首先数控系统运算速度要快，而且要求数控机床反应快，即各坐标运动部件能在极短的时间内达到给定的速度，并能在高速运行中快速准确地停止在预定位置，缩短准备时间；另一方面要求加工过程运动平稳，不产生冲击、失步、超程或振荡，实现高精度、高质量加工。加减速的控制和规划是数控系统轨迹规划的重要组成部分，也是数控系统开发的关键技术之一。因此，速度规划是高速度、高精度、高质量数控加工中的重要环节。目前，在数控加工领域，常用的速度规划算法包括直线速度规划法、S曲线速度规划法、三次多项式速度规划法等。传统的直线加减速控制方法计算量小，控制简单，但是在加速或减速时存在加速度的突变，很容易导致机床产生振动，影响了加工质量。S曲线速度规划算法的在一次加速或加速过程中，其速度方程是分段两段或三段计算的，控制比较复杂，而且其加加速度在在一个加速段或减速段突变四次，在加工复杂零部件时，可能引起刀具的震颤。三次多项式速度规划算法控制简单，能实现加速度的连续变化，但是其加加速度仍然是不连续的，在一次加减速过程中，其加加速度突变仍会突变两次，所以这种方法同样不利于高质量加工。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法，包括预处理阶段和实时插补阶段；所述预处理阶段包括以下步骤：用向心化参数方法对待加工的数据点进行归一化；对待加工的路径进行快速插补并记录关键信息；所述快速插补过程中，采用圆弧近似的方法计算进给速度；在每一步插补后记录已经插补过的路径的长度；记录每次加/减速过程的初始和结束的速度及对应的插补参数值；计算出每个加/减速段的最大加速度和最大加加速度、三角函数速度规划方程，并根据位移方程计算出加/减速段的理论加/减速距离，求出实时插补时加/减速的开始参数；将加减速始末参数、三角函数速度方程系数保存到加减速数组中；所述实时插补阶段包括以下步骤：根据加减速数组中的数据，计算出当前点处的实时速度；采用一阶泰勒展开式计算参数初值，用牛顿法迭代后计算出插补参数的精确值，代入参数曲线方程，计算出下一个插补点，从而进行实时插补。所述向心化参数方法为：其中，Pk和Pk-1表示待加工路径的第k+1个和第k个数据点，Uk和Uk-1分别表示数据点Pk和Pk-1对应的归一化参数，U0表示第一个数据点P0对应的归一化参数，n表示数据点的个数。所述采用圆弧近似的方法计算进给速度，具体为：其中，ui为当前插补点pi对应的插补参数，T为数控系统的插补周期，ρi为插补参数ui处的曲率半径，Ec为加工要求的最大弦高误差，F为数控系统的编程进给速度。所述已插补过的路径的长度Si为预处理插补到插补参数ui处时走过的路径，通过下式计算：其中，Si-1为插补到插补参数ui-1时走过的路径，T为数控系统的插补周期，V(ui)为插补参数ui处的进给速度，V(ut)为插补参数ut处的进给速度。所述加/减速段的最大加速度A和最大加加速度J，通过比较|Ve-Vs|和的关系计算：如果则A＝Amax，J＝Jmax；如果则A＝Amax，如果则J＝Jmax，其中，Amax为数控系统的最大加速度，Jmax为数控系统的最大加加速度，Vs为加/减速段的初始速度，Ve为加/减速段的结束速度。所述三角函数速度规划方程加速度段的表达式为：减速段的表达式为：其中，A为加/减速段的最大加速度；J为加/减速段的最大加加速度；t为时间，开始时刻为0；Va(t)和Vd(t)分别是加速段和减速段的速度；V0是加/减速段的初始速度。所述位移方程为对三角函数速度规划方程求积分后得到的方程，具体为：加速段的位移Sa(t)表达式为：减速段的位移Sd(t)表达式为：其中，A为加/减速段的最大加速度；J为加/减速段的最大加加速度；S0为初始位移；V0是加/减速段的初始速度；t为时间，开始时刻为0。所述理论加/减速距离是指在满足加工精度要求的条件下，从加/减速的初始速度Vs加/减速到结束速度Ve所需的理论路径；理论加速距离sa的计算公式为：sa＝Sa(ta)-Sa(0)理论减速距离sd的计算公式为：sd＝Sd(td)-Sd(0)其中，Sa(ta)为加速段的位移，ta为加速时间，Sd(td)为减速段的位移，td为减速时间，且其中，A为加/减速段的最大加速度；J为加/减速段的最大加加速度。所述根据加减速数组中的数据，计算出当前点处的实时速度，具体为：假设当前的插补参数为ui，插补时刻为ti，当前所处的加/减速段x，则实时速度Vi的计算过程如下：1)若ui<AD[x].us，保持刀具做匀速运动，Vi＝Vi-1；2)若AD[x].us≤ui<AD[x].ue，则加速段Vi＝Va(ti)，减速段Vi＝Vd(ti)；3)若ui-1<AD[x].ue，ui>AD[x].ue，则x＝x+1，Vi＝Vi-1；4)若在减速时，ui<AD[x].ue且V(ui)≤AD[x].ve，则Vi＝Vi-1；其中，AD[x]为预处理结束后得到的加减速数组的第x段，AD[x].us、AD[x].ue分别为该加减速段的开始和结束插补参数。所述一阶泰勒展开式为：其中，C(u)为样条曲线方程，u为样条曲线参数，ui为当前插补参数，Vi为ui处的速度，ui+1为下一个插补参数，T为插补周期。所述的牛顿迭代法的标准迭代公式为：其中，ξk和ξk+1是ui+1分别迭代k次和k+1次后的结果；F(ξ)是构造方程，F'(ξk)是其一阶导数，F(ξ)的表达式为：F(ξ)＝||C(ξ)-C(ui)||-ViT其中，C(ui)为样条曲线在ui处的值，C(ξ)为样条曲线在ξ处的值，ξ代表下一个插补参数ui+1，Vi为ui处的速度，T为插补周期。本专利技术具有以下优点及有益效果：1.加工柔性好，平滑程度高。本专利技术方法的速度曲线为三角函数曲线和线性多项式的结合，加速度和加加速度曲线为三角函数曲线，在每个加/减速阶段都可以实现速度、加速度和加加速度的连续变化，从而实现柔性加减速控制。2.加工精度高。本专利技术方法在预处理阶段采用圆弧近似的方法计算进给速度，考虑了弦高误差的限制，实时插补时用牛顿迭代法实时计算插补参数，减小了进给速度波动，从而保证了加工精度。3.执行效率高。预处理阶段用于收集要加工的曲线的相关数据并计算速度方程，实时插补阶段只需用到预处理阶段的数据进行实时样条插补，运算简单。4.通用性强。本专利技术方法不仅能够应用于各种样条曲线插补插补中，而且可以应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法，其特征在于，包括预处理阶段和实时插补阶段；所述预处理阶段包括以下步骤：用向心化参数方法对待加工的数据点进行归一化；对待加工的路径进行快速插补并记录关键信息；所述快速插补过程中，采用圆弧近似的方法计算进给速度；在每一步插补后记录已经插补过的路径的长度；记录每次加/减速过程的初始和结束的速度及对应的插补参数值；计算出每个加/减速段的最大加速度和最大加加速度、三角函数速度规划方程，并根据位移方程计算出加/减速段的理论加/减速距离，求出实时插补时加/减速的开始参数；将加减速始末参数、三角函数速度方程系数保存到加减速数组中；所述实时插补阶段包括以下步骤：根据加减速数组中的数据，计算出当前点处的实时速度；采用一阶泰勒展开式计算参数初值，用牛顿法迭代后计算出插补参数的精确值，代入参数曲线方程，计算出下一个插补点，从而进行实时插补。

【技术特征摘要】
1.一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法，其特征在于，包括预处理阶段和实时插补阶段；所述预处理阶段包括以下步骤：用向心化参数方法对待加工的数据点进行归一化；对待加工的路径进行快速插补并记录关键信息；所述快速插补过程中，采用圆弧近似的方法计算进给速度；在每一步插补后记录已经插补过的路径的长度；记录每次加/减速过程的初始和结束的速度及对应的插补参数值；计算出每个加/减速段的最大加速度和最大加加速度、三角函数速度规划方程，并根据位移方程计算出加/减速段的理论加/减速距离，求出实时插补时加/减速的开始参数；将加减速始末参数、三角函数速度方程系数保存到加减速数组中；所述实时插补阶段包括以下步骤：根据加减速数组中的数据，计算出当前点处的实时速度；采用一阶泰勒展开式计算参数初值，用牛顿法迭代后计算出插补参数的精确值，代入参数曲线方程，计算出下一个插补点，从而进行实时插补。2.根据权利要求1所述的一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法，其特征在于，所述向心化参数方法为：其中，Pk和Pk-1表示待加工路径的第k+1个和第k个数据点，Uk和Uk-1分别表示数据点Pk和Pk-1对应的归一化参数，U0表示第一个数据点P0对应的归一化参数，n表示数据点的个数。3.根据权利要求1所述的一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法，其特征在于，所述采用圆弧近似的方法计算进给速度，具体为：其中，ui为当前插补点pi对应的插补参数，T为数控系统的插补周期，ρi为插补参数ui处的曲率半径，Ec为加工要求的最大弦高误差，F为数控系统的编程进给速度。4.根据权利要求1所述的一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法，其特征在于，所述已插补过的路径的长度Si为预处理插补到插补参数ui处时走过的路径，通过下式计算：其中，Si-1为插补到插补参数ui-1时走过的路径，T为数控系统的插补周期，V(ui)为插补参数ui处的进给速度，V(ut)为插补参数ut处的进给速度。5.根据权利要求1所述的一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法，其特征在于，所述加/减速段的最大加速度A和最大加加速度J，通过比较|Ve-Vs|和的关系计算：如果则A＝Amax，J＝Jmax；如果则A＝Amax，如果则J＝Jmax，其中，Amax为数控系统的最大加速度，Jmax为数控系统的最大加加速度，Vs为加/减速段的初始速度，Ve为加/减速段的结束速度。6.根据权利要求1所述的一种用于高质量加工的三角函数加减速控制方法，其特征在于，所述三角函数速度规划方程加速度段的表达式为：减速段的表达式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东升，王允森，刘荫忠，尹震宇，马爽，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21